电磁阀控制井下增压器输出特性

摘要：超高压水射流井底岩石切槽应力卸载方法是提高破岩效率的有效手段，然而现有井下增压装置为被动增压，超高压脉冲射流输出持续时间短且难以实现输出频率可控可调，导致切槽效率低。设计一种新型电磁阀控制井下增压器，通过室内实验和数值模拟相结合的方式分析其增压性能和输出特性。结果表明：增压装置的输出特性为高压射流和低压射流组合而成的混合脉冲射流，输出波形近似方波且输出频率可调；输出特性受输入压力与结构参数的影响较大，输入压力和活塞面积比增大，使得峰值压力升高而增大了射流切槽能力，活塞行程增大延长了超高压水射流的持续时间，提高了水射流切槽效率。

关键词：深部硬岩； 高压水射流切槽； 井下增压装置； 射流特性； 可控可调

中图分类号：TE 245""" 文献标志码：A

引用格式：何宇航，廖华林，王敏生，等.电磁阀控制井下增压器输出特性［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2025，49（1）：194-200.

HE Yuhang， LIAO Hualin， WANG Minsheng， et al. Output jet feature of" downhole intensifier controlled by" electromagnetic valve［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2025，49（1）：194-200.

Output jet feature of" downhole intensifier controlled by" electromagnetic valve

HE Yuhang1，2， LIAO Hualin1，2， WANG Minsheng3，" WANG Huajian4， NIU Jilei1，2， WEI Jun5

（1.School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China;

2.MOE Key Laboratory of Unconventional Oil and Gas Development， China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China;

3.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering Company Limited， Beijing 102206， China;

4.SINOPEC Matrix Corporation， Qingdao 266071， China；

5.Ramp;D Center for Ultra Deep Complex Reservoir Exploration and Development， CNPC， Korla 841000， China）

Abstract： Stress release with rock slotting by the ultra-high-pressure water jet is an effective method of reducing the rock strength in the bottom hole. However， traditional downhole intensifiers are limited in their effectiveness for rock slotting as they belong to the passive pressurization method， fixed output frequencies， and short durations are along with the high-pressure water jet， resulting in a low efficiency. A novel intensifier controlled by the electromagnetic valve was proposed. The pressurization performance and output characteristics of the intensifier were thoroughly analyzed through lab tests and numerical simulations. The results demonstrate that the output jet feature of the intensifier exhibits a hybrid pulsed jet comprising a combination of high-pressure and low-pressure jets. The output waveform goes like a square wave， with the ability to adjust the output frequency. The output characteristics of the intensifier are significantly influenced by the input pressure and structural parameters. Increasing the input pressure and the plunger area ratio leads to a higher peak pressure， resulting in an improved rock slotting capability of the jet. Moreover， increasing the plunger stroke prolongs the duration of the ultra-high-pressure water jet， thereby enhancing the efficiency of rock slotting.

Keywords： deep hard rock; slotting by" high-pressure water jet; downhole intensifier; output jet feature; controllable and adjustable ability

收稿日期：2024-10-25

基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFE0111400）;中央高校基本科研业务费专项（22CX01001A-3）

第一作者：何宇航（1994-），男，博士研究生，研究方向为超高压水射流理论与技术。E-mail：heyhang@126.com。

通信作者：廖华林（1974-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为高压水射流及提速技术。E-mail：Liaohualin2003@126.com。

文章编号：1673-5005（2025）01-0194-07""" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2025.01.021

高效开发深井/超深井油气资源是石油工程领域关注的重点［1］。但随着井深增加岩石所受围压呈线性增加，切削齿吃入困难，钻头磨损严重等问题突出［2-4］。为提高深部地层油气资源的开发效率，采用井底增压钻井技术，提升钻柱中部分钻井液能量产生高压射流而冲击井底岩石靶面造成局部破岩，在钻头的旋转作用下形成连续切槽，释放井底岩石局部应力可大幅提高钻进效率［5-6］。井下增压装置是提升井下水力能量的重要手段，也是实现井底岩石切槽应力卸载方法的关键一环。自1995年以来，国内外专家学者相继展开了井下增压装备的研究［7］，先后提出了静压式［8］、分隔式［9］、锥阀式［10］、离心式［11］、螺杆式［12-13］、射流式［14-15］、钻柱减振式［16-17］等不同原理的增压装置。受限于结构的复杂性，钻柱减振增压器和螺杆增压器是两种常用于钻井现场的增压器，钻柱减振增压器是利用钻柱轴向振动产生的能量来推动增压活塞运动，不仅能减小钻柱的振动幅度，且利用振动能量给流体加压而产生瞬时高压射流，其输出特性为正弦波。螺杆增压器采用螺杆马达提供动力，通过换向机构将螺杆马达的旋转运动转换为柱塞的往复直线运动，实现钻进液周期性增压，其输出特性波形为正三角波，产生的高压射流为瞬时高压射流［18］。现有的井下增压装置压力输出特性均为瞬时高压射流，为提高井底增压射流的切槽效率，笔者设计一种电磁阀控制井下装置，采用试验方式进行增压原理测试及输出特性的影响因素分析，为提高增压装置的输出流量，采用计算流体力学方法对双级并联式增压输出特性进行分析。

1" 电磁阀控制井下增压装置研制

1.1" 结构设计

电磁阀控制井下增压装置主要由控制总成、增压总成、超高压钻头以及壳体组成，如图1所示。控制总成主要包括电源、控制器、两位三通电磁阀3个部分，

1.2" 工作原理

增压过程中部分钻井液经电磁换向阀的入口流道到达增压缸的活塞无杆腔，由于无杆腔内活塞端面流体作用面积大于有杆腔流体作用面积，流体作用于活塞端面产生压差力，从而推动活塞杆由无杆腔向有杆腔运动，压缩增压缸有杆腔的流体；加压后的流体由超高压流道输送至钻头的高压喷嘴喷出。当活塞杆在液体压差力的作用下运动至增压行程结束后，控制器发出信号，电磁阀的阀芯向左移动，使得电磁阀的入口流道关闭，出口流道与增压器泄流口相连。此时钻井液进入增压缸的有杆腔，由于泄流口与环空相通而处于低压状态，活塞在流体的驱动下向左移动，活塞复位。

2" 试" 验

2.1" 试验测试系统

试验测试系统采用自主研发的电磁阀控制井下增压装置脉冲射流测试系统，如图2所示。该系统主要由供水系统、压力采集与测试系统、位移测试系统以及电磁阀控制增压器样机组成。

2.2" 试验参数

试验测试样机的柱塞端面直径为76 mm，活塞杆直径为68 mm，活塞杆的最大行程为300 mm，高压喷嘴直径为0.5 mm，试验介质为清水，固定电磁阀的切换时间，改变增压器入口压力，测试其输出压力特性，试验参数如下：输入压力分别为2、4、6、8和10 MPa，将活塞运动到最大行程位置的时间设置为电磁阀切换时间。

2.3" 试验结果

2.3.1" 输出射流脉动特性

增压后脉冲射流的幅频特性是影响井底切槽效率的重要因素，因此必须掌握电磁阀控制井下增压装置的压力变化规律为后续破岩试验提供基础。图3、4分别为入口压力为6 MPa时高压腔压力传感器采集的压力变化和位移传感器采集的活塞运动位移变化曲线。

从图3中可以看出，电磁阀控制井下增压装置压力输出特性随时间呈现周期性变化，单个周期内压力脉冲为由稳定高压射流输出段和低压射流段组合而成的混合射流，射流压力波形呈现为方波型。增压装置试验过程中分为增压行程、静止状态、复位状态3种形态，实际工作过程中活塞运动到最大行程处换向。增压行程射流压力呈现上升、平稳、下降3个阶段，分别对应活塞杆加速、匀速、减速3种运动状态，如图4所示。压力曲线变化反映了挤压活塞运动特性，同时也验证了电磁阀控制增压方法的可行性。增压钻井过程中高压射流的持续时间和射流压力是影响破岩效率的主要因素。

2.3.2" 增压能力测试

井下增压装置的增压能力是评价增压器性能的重要指标，也是其能否推广应用于现场的前提。试验过程中为保证试验安全，采用低入口压力进行输出特性试验，输出压力特性随输入压力的变化如图5所示。

由图5可知：随着输入压力增大，平稳段输出压力增大；当输入压力由2 MPa增加到10 MPa过程中，平稳段平均压力由7.33 MPa增加至43.75 MPa。随着输入压力增大，平稳段超高压射流的持续时间减少，增压装置增压过程中活塞运动速度和返程的活塞运动速度加快，往返周期相应缩短，增压装置的工作频率增大；当输入压力由2 MPa增加至10 MPa，增压装置的脉冲频率上升了0.73 Hz（图5（b））。

3" 电磁阀控制井下增压装置数值模拟

基于室内试验对电磁换向原理以及影响压力输出特性的主要因素进行了分析。由于该增压装置直接采用钻井液能量驱动活塞进行增压，能量转换率高。为提高井下超高压射流的输出流量，建立双级并联式增压数值模型。

3.1" 受力分析

电磁阀控制井下增压装置工作过程中活塞受力如图6所示，增压缸内活塞两端的流体作用于活塞端面上，由于作用面积不同产生流体压差力，活塞在液体压差力的驱动下做增压运动。为简化模型假设：①增压缸密封性良好，活塞运动过程中无泄漏；②柱塞等部件为刚体，高压状态下不考虑柱塞和增压缸变形产生的机械阻力；③忽略高速运动过程中增压腔中流体产生的能量变化。

初始状态下活塞在液体压差力作用下做加速运动，基于牛顿第二定律：

p1A1-p2A2-f1=m1a1，（1）

p3A3-p4A4-f2=m2a2.（2）

式中，p1为左侧增压缸入口压力，Pa;p2为左侧增压缸增压后流体压力，Pa;p3为右侧增压缸入口压力，Pa;p4为右侧增压缸增压后流体压力，Pa;A1和A2分别为左侧无杆腔和有杆腔流体作用活塞面积，m2；A3和A4分别为右侧无杆腔和有杆腔流体作用活塞面积，m2；m1和m2分别为左、右活塞杆质量， kg;a1和a2分别为左、右活塞杆加速度， m2/s;f1为左侧增压缸与左侧活塞杆之间的摩擦力，N；f2为右侧增压缸与右侧活塞杆之间的摩擦力，N。

平稳状态下忽略活塞与增压缸之间的摩擦力，活塞两端的液体压差力相等，活塞做匀速运动：

p1A1=p2A2，（3）

p3A3=p4A4.（4）

左、右增压缸采用对称设计，增压过程中达到稳定状态，增压缸内部流场p1=p3，p2=p4：

i=p2p1=p4p3=A2A1=A3A4 .

（5）

式中，i为电磁阀控制井下增压装置的增压比。

3.2" 数值模型

基于电磁换向原理采用fluent软件建立增压缸流体域的计算流体力学（CFD）模型（图7），左、右增压缸直径为80 mm，活塞杆直径为75 mm，活塞的最大行程为500 mm，喷嘴直径为2 mm。为提高计算域的网格质量，采用O型切分方法将增压缸流体域划分为六面体网格，输出流道采用网格加密处理，增压器活塞缸各流域之间采用interface配对进行计算数据传递。

3.3" 边界条件

基于合理性假设建立了增压缸动态压力数值模型。增压缸入口采用压力边界，入口压力设置为15 MPa，出口采用压力边界，出口压力设置为0.1 MPa。基于活塞运动方程编写活塞运动过程动网格运动UDF程序，动网格跟新方法采用动态层网格跟新方法，其中网格分裂因子为0.4，收缩因子为0.04。

3.4" 数值模拟结果

井下增压钻井过程中提高增压器的输出流量，在钻头上安装直径更大的高压喷嘴，从而提高井底岩石切槽宽度，故而提出双级增压并联方案。采用计算流体力学方法，首先对双级并联增压方案的压力输出特征进行分析，并与单级增压输出特性进行对比，突出了双级增压方式的优势性；然后为进一步提高双级增压方案的输出性能，分析了入口压力、活塞直径及活塞行程对增压器的输出压力峰值和超高压射流持续时间的影响。

3.4.1" 脉冲压力输出特征

增压行程中增压缸压力云图如图8所示。由图8可知：初始状态下，假设增压缸内充满流体，由于活塞杆两端存在面积差，当钻井液流体作用于活塞端面时，将产生液体压差力，使得活塞杆做加速运动，增压缸有杆腔内的流体被压缩而压力逐渐增大，直至活塞两侧的压力达到平衡状态。0～0.02 s阶段，由于右增压缸的出口流体对左增压的流体具有阻碍作用，左增压缸流体的压力略高于右增压缸流体的压力；此时活塞做加速度逐渐减小的加速运动。0.02 s后达到稳定状态，增压缸内的流体压强对活塞左右端面的作用力达到平衡状态，此后活塞做匀速运动。

对单级增压及双级并联增压的压力输出特性进行了数值模拟，如图9所示。单级增压及双级并联增压装置活塞运动过程中均可分为启动、稳定、减速3个阶段。当增压缸直径为80 mm，活塞杆直径为75 mm，输入压力为15 MPa时，单级增压和双级并联增压的输出压力基本相同。单级增压由初始阶段到达稳定阶段，会出现较大的压力波动，如图9（a）所示。而双级并联启动阶段，左右增压缸内的流体存在相互作用，增压过程更加平稳，左增压缸流体压力的增长速度略滞后于右增压缸流体的压力，如图9（b）所示。双级并联增压方式中由于输出流量为两增压缸之和，当高压喷嘴输出压力相同时，活塞的运动速度慢于单级增压方式，运动过程中增压缸的冲击力较小，能有效提高增压装置的使用寿命；且由于活塞杆的行程保持不变，单增压行程中可提高超高压射流的持续时间。0.02～0.16 s为稳定阶段，该增压装置高压射流持续时间为0.14 s，输出压力约为116 MPa。增压装置面积比为1∶8.25，理想状态下输出压力为123.75 MPa，压力损失约为6.26%，验证了本数值模型的准确性。

3.4.2" 压力输出特性影响因素

增压钻井过程中高压射流的持续时间和输出射流的压力是影响破岩效率的主要因素。为进一步进行双级并联电磁阀控制井下增压结构的优化，对输入压力、面积比以及活塞行程3个因素对稳定状态下增压器输出特性的影响进行分析。

（1）输入压力。稳定状态下增压装置压力输出特性随输入压力的变化如图10所示。当左右活塞面积比一定时，输入压力越大，输出的高压射流峰值压力越大；输入压力越大，活塞运动过程中克服阻力能力增强，输出压力的实际值接近于理论值，当入口压力由5 MPa增加至25 MPa时，增压后输出压力可由38.7 MPa提升至205.6 MPa，实际值与理论值的压力损失由8.9%降低至3%；随着输入压力增大，稳定状态下活塞的运动速度越快，输出高压射流持续时间越短，脉冲射流频率越快，当入口压力由5 MPa增加至25 MPa时，脉冲射流持续时间由0.33 s降低至0.11 s。实际钻进过程中增大增压器的入口压力，高压喷嘴处流体的出射速度加快，冲击岩石靶面的冲击力增大，可有效提高井下破岩能量。

（2）活塞直径。由理论分析可知，入口压力一定时，活塞端面在无杆腔与有杆腔的面积比越大，增压器的增压比越大。而随着活塞杆直径增大，增压缸的有杆腔流体作用于活塞端面的面积减小，活塞左右面积比增大，稳定状态下高压流体的峰值压力增压大，峰值压力的持续时间缩短，如图11所示。当活塞杆直径由73 mm增加至77 mm时，增压比将由1∶6增加至1∶13.6。输入压力为15 MPa时，输出压力峰值由85 MPa增加至195 MPa，峰值压力的持续时间由0.19 s降低至0.09 s。增大活塞的面积比可提高增压器的增压能力，但随着活塞杆直径增大，增压缸内有杆腔的环空体积减小，单次行程增压流体的体积减小。故实际增压器设计过程中应综合考虑增压能力和增压流体体积，然后进行活塞杆直径设计。

（3）活塞行程。增压装置压力输出特性随活塞行程的变化如图12所示。由图12可知，由于活塞运动过程中受力状态只与入口压力和活塞面积有关，改变活塞行程不改变增压过程中活塞的运动状态。随着活塞行程增大，稳定状态下活塞的运动速度基本保持不变，故输出压力峰值基本保持不变；但由于行程变长，高压射流的持续时间增长。当活塞的行程由300 mm增加至700 mm时，输出压力峰值均约为116 MPa，高压射流的持续时间由0.07 s提升至0.24 s，实际钻进过程中增压装置的活塞行程可通过改变电磁换向阀的切换时间进行控制。

4" 结" 论

（1）电磁阀控制井下增压装置增压过程中脉冲压力特征为高压射流段和低压射流段组合而成的混合射流，输出波形近似方波；相较于传统增压机构具有超高压射流持续时间更长、输出频率可控可调等优势。

（2）双级并联增压方式相较于单级增压方案，其压力输出特性更加平稳，且可进一步提升增压射流的持续时间。

（3）输出压力峰值随输入压力和活塞面积比的增大而升高，输出射流切槽能力增强；活塞行程增大可提高超高压水射流的持续时间，提高水射流切槽效率；双级并联增压输入压力为15 MPa时，输出压力可达116 MPa，高压射流持续时间相较于传统的瞬态高压延长至0.14 s的稳态高压，且高压持续时间可通过延长活塞行程和控制电磁阀的切换频率进一步加长。

参考文献：

［1］" 陈现军，郭书生，王世越，等.钻井机械能效地层压力监测新方法在南海莺琼盆地的应用［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2024，48（3）：188-197.

CHEN Xianjun， GUO Shusheng， WANG Shiyue， et al. Application of new method for formation pressure monitoring of drilling machinery energy efficiency in Yingqiong Basin， South China Sea［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（3）：188-197.

［2］" 祝效华，陈梦秋，刘伟吉.高压电脉冲破碎非均质花岗岩数值模拟［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2024，48（5）：151-159.

ZHU Xiaohua， CHEN Mengqiu， LIU Weiji. Numerical simulation of high-voltage electric pulses crushing heterogeneous granite ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（5）：151-159.

［3］" 黄建平，刘英辉，李伟，等.深层地热花岗岩体地震波数值模拟及传播机制［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2024，48（1）：63-69.

HUANG Jianping， LIU Yinghui， LI Wei，et al. Numerical simulation of seismic wave in deep geothermal rock mass［J］. Journal of China University of Petroleum （ Edition of Natural Science），2024，48（1）：63-69．

［4］" 万敏，宋佳儒，黄山山，等.旋转导向系统稳定平台自适应动态面控制［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2024，48（5）：190-199.

WAN Min， SONG Jiaru， HUANG Shanshan， et al. Adaptive dynamic surface control of stabilized platform in rotary steerable drilling system ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（5）：190-199.

［5］" ZHANG R， LI G S， TIAN S C. Stress distribution and its influencing factors of bottom-hole rock in underbalanced drilling ［J］. Journal of Central South University， 2018，25（7）：1766-1773．

［6］" 廖华林，王华健，牛继磊，等.高压水射流井底切槽应力卸载特性［J］.石油学报，2022，43（9）：1325-1333.

LIAO Hualin， WANG Huajian， NIU Jilei， et al. Characteristics of stress release during downhole slotting by high-pressure water jet［J］. Acta Petrolei Sinica，2022，43（9）：1325-1333.

［7］" LIAO H L， WANG H J， LATHAM J， et al. Study on output pressure prediction and jetting features of ultra-high pressure water jet for the downhole intensifier［C］. Germany： European Geothermal Congress，2022：17-21.

［8］" 王德玉，何东升.静压式井下增压器的动力分析［J］.西南石油学院学报，1995，17（1）：115-120.

WANG Deyu， HE Dongsheng. Dynamic analysis of static pressure downhole booster［J］. Journal of Southwest Petroleum University（Science amp; Technology Edition），1995，17（1）：115-120.

［9］" 艾池，周荣星，王志祥，等.分隔式井下增压器的整体结构设计［J］.大庆石油学院学报，2001，25（1）：89-91.

AI Chi， ZHOU Rongxing， WANG Zhixiang， et al. Whole structural design of the diaphragm pressure converter used in bottom hole［J］. Journal of Northeast Petroleum University， 2001，25（1）：89-91.

［10］" 廖华林，管志川，史玉才，等.井下增压装置提高钻速机理与适用性［J］.石油学报，2015，36（9）：1141-1147.

LIAO Hualin， GUAN Zhichuan， SHI Yucai， et al. Mechanism and applicability of increasing drilling rate for downhole supercharging device［J］. Acta Petrolei Sinica，2015，36（9）：1141-1147.

［11］" 孙伟，孙峰，赵崇镇，等.离心式井下增压装置的系统设计［J］.石油机械，2006，34（3）：36-38，86-87.

SUN Wei，SUN Feng， ZHAO Chongzhen， et al. Systematic design for a downhole centrifugal supercharging device［J］. China Petroleum Machinery， 2006，34（3）：36-38，86-87.

［12］" 赵军友，徐依吉，孙培先，等.双螺旋槽螺杆马达井下增压器设计［J］.石油矿场机械，2010，39（12）：34-37.

ZHAO Junyou， XU Yiji， SUN Peixian， et al. Design of downhole supercharger of double helical slots driven by screw motor［J］.Oil Field Equipment，2010，39（12）：34-37.

［13］" 徐义，周长李，刘永旺，等.螺杆式井下增压钻井装置的原理及设计［J］.钻采工艺，2011，34（3）：71-73.

XU Yi， ZHOU Changli， LIU Yongwang， et al. Principle and design of screw downhole supercharger［J］.Drilling and Production Technology， 2011，34（3）：71-73.

［14］" 汪志明，薛亮.射流式井底增压器水力参数理论模型研究［J］.石油学报，2008，29（2）：308-312.

WANG Zhiming， XUE Liang. Hydraulic parameter model for the design of fluidics downhole boost compressor［J］. Acta Petrolei Sinica， 2008，29（2）：308-312.

［15］" 薛亮，汪志明，李帮民.第2代射流式井下增压器结构设计［J］.石油机械，2010，38（8）：24-27.

XUE Liang， WANG Zhiming， LI Bangmin. Structural design of the second-generation downhole jet boost compressor［J］. China Petroleum Machinery， 2010，38（8）：24-27.

［16］" LIAO H L， HE Y H， WANG H J， et al. Experimental and numerical investigation of the novel downhole intensifier controlled by electromagnetic valve［J］. Geoenergy Science and Engineering， 2024，233：212472.

［17］" ZHANG H N， GUAN Z C， LIU Y W， et al. A novel tool to improve the rate of penetration by transferring drilling string vibration energy to hydraulic energy［J］. Journal of Petroleum Science amp; Engineering， 2016，146：318-325.

［18］" LIAO H L， GUAN Z C， SHI Y C， et al. Field tests and applicability of downhole pressurized jet assisted drilling techniques ［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2015，75：140-146.

（编辑" 沈玉英）